便攜式智能人工鼻的設(shè)計(jì)研究

朱華麟 唐世雄 張建華 姚壽國(guó) 陳 星

正常人的鼻腔具有加溫，加濕，過濾等功能。當(dāng)外界的溫度為－8～40℃度時(shí)，鼻腔黏膜可將攝入的空氣溫度調(diào)節(jié)到32～34℃。另?yè)?jù)微型熱電偶檢測(cè)，吸入氣體為23℃時(shí)，經(jīng)過鼻腔到達(dá)聲門下區(qū)時(shí)，氣溫可上升到32℃，據(jù)測(cè)量，當(dāng)吸入鼻腔空氣濕度為40%時(shí)，經(jīng)鼻腔吸入到咽部的濕度已提高到75%，到達(dá)聲門下時(shí)，濕度上升達(dá)98%，這極其有利于呼吸道纖毛運(yùn)動(dòng)［1］。據(jù)美國(guó)呼吸護(hù)理協(xié)會(huì)加溫，加濕的判斷標(biāo)準(zhǔn)，適宜的加溫溫度為33±2℃，適宜的加濕絕對(duì)濕度為29～32mg/L而對(duì)于氣管切開建立人工氣道的患者，則將未經(jīng)鼻腔過濾，加溫、加濕的空氣直接被吸入到下呼吸道，這在臨床上會(huì)導(dǎo)致下呼吸道大量干痂形成，氣道阻力增加，氣道積痰嚴(yán)重，并易引發(fā)下呼吸道感染，并使氧合能力大為下降［2］。相對(duì)濕度 ＜75%、溫度32℃以下時(shí)，上呼吸道黏膜上皮細(xì)胞纖毛功能停止，吸入的氣體會(huì)變得極為干燥無法補(bǔ)償呼出的熱量和水分，使肺泡的氧合能力大為下降，氣道積痰嚴(yán)重，且干稠［3］。現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外在臨床上常用人工方法來代替模擬鼻腔部分功能:①人工鼻:其基本原理是將呼出的氣體的溫度和水分對(duì)吸入氣體進(jìn)行濕熱交換，并通過靜電纖維構(gòu)成密集網(wǎng)，將阻擋和吸附細(xì)菌和病毒，以達(dá)到過濾的目的，然人工鼻本身不提供額外的熱量和水分，故溫濕化能力相當(dāng)有限;②電熱恒溫濕化器:該裝置多裝備在新型呼吸機(jī)上，它能提供良好的加溫、加濕功能，能較好地模擬上呼吸道功能，然而其體積較大，不能攜帶，操作時(shí)需要專業(yè)醫(yī)務(wù)人員，它只適合于住院病人使用。目前國(guó)內(nèi)外尚無一款可隨身攜帶的，集過濾，能自動(dòng)控制的，有加溫加濕功能為一體的裝置。我們?cè)O(shè)計(jì)研制了一款小型化的，可隨身攜帶，操作簡(jiǎn)單，具有自動(dòng)加溫加濕功能的，并能精確控制的，能模擬上呼吸道功能的替代產(chǎn)品——便攜式智能人工鼻。它由人工鼻(過濾器)、加溫器、溫濕化器、及各種傳感器、中央控制器、高容量電池及呼吸管道構(gòu)成(圖1)。這將彌補(bǔ)了現(xiàn)被廣泛使用的“人工鼻”其本身不能進(jìn)行主動(dòng)加溫加濕這 一缺陷。

圖1 便攜式智能人工鼻的結(jié)構(gòu)

材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)制作材料:(1)溫濕度儀器:流量傳感器選用美國(guó)Siargo公司的MF4008傳感器，該流量計(jì)專為小流量氣體的測(cè)量和過程控制而設(shè)計(jì)，采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)流量傳感芯片來制作，測(cè)量精度 ±(1.5+0.2FS)%。(2)人工鼻:選用DAR人工鼻系列中的靜電式過濾器，其過膜為疏水性聚無紡步材料，此纖維具有永久電極性。由于細(xì)菌，病毒表面具備永久電極性，從而將其俘獲到過濾膜上。其細(xì)菌，病毒濾過超過99.99%。(3)微電腦溫濕度控制器:選用 Cygnal公司的C8051F330芯片，該器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型單片機(jī)。在本系統(tǒng)中，控制器實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定參數(shù)，有效控制加熱器和加濕器的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，微控制器將采集信息通過液晶顯示輸出，以便用戶實(shí)時(shí)觀測(cè)。(4)溫濕度傳感器:溫度傳感器選用PT100熱電阻傳感器，0℃時(shí)阻值誤差為±0.06%。濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司的SHT11傳感器，測(cè)濕精度為±3.0%RH。(5)鋁合金材料:用于制作加溫加濕器。(6)直流電池:選用雙鹿CR123A1次性鋰電池，卷繞式結(jié)構(gòu)獨(dú)有的低內(nèi)阻、大電流的特點(diǎn)。采用12v并聯(lián)二組電池進(jìn)行供電。

2.設(shè)計(jì)原理:加熱器與加濕器的設(shè)計(jì)。(1)加熱器:通過設(shè)計(jì)研制了一具具有良好熱傳導(dǎo)效率金屬外殼制作的，內(nèi)置陶瓷加熱片形成管道狀回路的加熱器，使得空氣可在管道上流通來進(jìn)行加溫。這樣的設(shè)計(jì)增加了散熱表面積，節(jié)約了空間。(2)加濕器:其設(shè)計(jì)原理是利用陶瓷電熱板在濕化罐的底部加溫，其濕化罐內(nèi)部中央的底部放置海綿儲(chǔ)水，罐中央置中空網(wǎng)眼狀海綿，于濕化罐的中央。這樣的設(shè)計(jì)大大有利于提高水分增發(fā)的表面積，有助于濕化效率的提高，也有利于對(duì)空氣進(jìn)行再次加溫。當(dāng)?shù)撞考訜岚彘_始加熱時(shí)，儲(chǔ)倉(cāng)水溫增加，使得水汽蒸發(fā)，使得空氣濕度增加。(3)參數(shù)的設(shè)定:設(shè)定的溫度參數(shù)的理想目標(biāo)值為32℃。濕度上限為98%，下限為75%。當(dāng)攝入的氣體溫度低于設(shè)定值時(shí)，加熱器自動(dòng)開始工作，對(duì)其進(jìn)行加溫，當(dāng)其達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，加熱器停止加熱。當(dāng)濕度低于設(shè)定的值時(shí)，濕度傳感器會(huì)將信號(hào)傳給中央控制器，CPU輸出信號(hào)，加濕器開始加熱，使得儲(chǔ)水罐的水溫及氣體溫度升高。

3.實(shí)驗(yàn)方法:在其加濕度器的出口處放置溫濕度傳感器，對(duì)氣體的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)外界的空氣分別通過人工鼻及流量傳感器后，進(jìn)入到加熱器中進(jìn)行加溫，再進(jìn)入到加濕器中進(jìn)行加濕，在加濕器的出口處安裝了溫濕度傳感器，并可在液晶屏上顯示，以對(duì)吸入的空氣的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。以外界溫度為12℃，濕度為42%RH(相對(duì)濕度)為例，用呼吸氣囊模擬人體自然呼吸，以每分鐘12次的呼吸頻率，使用流量傳感器測(cè)得潮氣量，即每次吸入的空氣為400～600ml進(jìn)行測(cè)試。

結(jié) 果

通過出口端的溫濕度傳感器將測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，每隔2min將測(cè)得的溫濕度的結(jié)果記錄下來(表1)。

討 論

上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，外界溫度在12℃時(shí)，其加溫效果達(dá)到目標(biāo)值需26min，其后在該溫度點(diǎn)徘徊，直到電壓小于額定的值時(shí)。而濕度在第22min達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值，可見濕度到達(dá)目標(biāo)值的速度較快。然當(dāng)外界溫度＜10℃時(shí)，加熱的氣體溫度會(huì)隨之有所下降而達(dá)不到理想值。由于加濕器的加濕效果也有賴于儲(chǔ)倉(cāng)水溫度提升，外界溫度越低，其加濕效果同樣也趨于下降。通過多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，外界溫度范圍在0～25℃，濕度在38% ～62%RH時(shí)，其平均溫度實(shí)際提高18℃，濕度提高48%RH。比較電熱恒溫加濕器，一般都為安裝在進(jìn)口呼吸器上，目前以Fisher＆Paykei品牌加熱濕化器居多。

表1 便攜式智能人工鼻效果測(cè)試

據(jù)黃桃［4］報(bào)道:加熱濕化器能夠使呼吸機(jī)輸送的溫度控制在32～36℃，氣體的相對(duì)濕度保持在95%以上，絕對(duì)濕度≥30mgH2O/L。電熱恒溫加濕器相對(duì)于“便攜式智能人工鼻”有兩大不同點(diǎn):①以交流電作為電源，不存在供能不足的問題;②在體積上沒有特定的限制，使得它具有很高的加溫加濕效率。故此比較可發(fā)現(xiàn)便攜式智能人工鼻的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一是“小”，二是它的供電是直流電，其輸出的功率相當(dāng)有限，二者均制約了其加溫加濕的效果。

實(shí)際上空氣的加溫過程是在一個(gè)狹小的管道中進(jìn)行，在吸氣時(shí)以約以每秒200ml多的空氣流量通過，大量外界空氣如此快速通過狹小加熱管道而想要使其快速達(dá)到加溫加濕的理想效果需要有兩個(gè)前提:①加溫表面積的大小;②加熱系統(tǒng)的功率來決定。而“便攜式”這一小型化的前提要求使得該裝置的加溫加濕的有效表面積受到限制，從而制約了加溫、加濕效率的提高。測(cè)量氣體通過管道系統(tǒng)加熱的有效加熱表面積約為40cm2，而直流電池12V的工作電壓使得其功率相對(duì)較小，這兩方面制約了加溫加濕效率，再比較鼻腔的加熱結(jié)構(gòu)，表面黏膜有眾多的細(xì)微絨毛，其表面積大約150cm2，如此大的有效表面積使得加熱加濕效率大大地增加。事實(shí)上該裝置的加溫加濕效果不但受到產(chǎn)品本身空間大小及電池供能等多方面的因素的影響，外界溫濕度、呼吸頻率、潮氣量對(duì)其也有顯著的影響。作為一種全新設(shè)計(jì)研制的新穎人工鼻，通過對(duì)吸入氣體進(jìn)行有效的過濾、加溫、加濕，相當(dāng)程度上模擬了鼻腔的主要功能，為患者營(yíng)造出一個(gè)理想的呼吸生理環(huán)境具有積極的臨床意義:減少的下呼吸道的感染率，提供適宜的溫濕度，減少了水分的蒸發(fā)和熱能丟失。

一個(gè)安全、可靠的新穎人工鼻最終研制成功需要有多學(xué)科，多部門的通力合作，對(duì)其進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究包括對(duì)現(xiàn)有的裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)以進(jìn)一步縮小體積，提高溫濕化效率，延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，并對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)以提高其可靠性和靈敏度;通過臨床實(shí)驗(yàn)來調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，使得其參數(shù)設(shè)置更符合人體生理要求。另外由于外界的溫差，氣體通過呼吸管道時(shí)會(huì)有水凝集，這些將在今后的研究設(shè)計(jì)中加以改進(jìn)解決。倘若一個(gè)氣道開放的患者通過攜帶這種新穎的人工鼻使得其也能象正常人一樣在寒冷，干燥的環(huán)境下自由地呼吸，這將大大提高患者生活質(zhì)量和生存質(zhì)量。

1 黃選兆，汪吉寶.實(shí)用耳鼻咽喉科學(xué)［M］.北京:人民衛(wèi)生出版社，1998:10

2 謝仙萍，人工呼吸機(jī)的臨床應(yīng)用管理［J］.國(guó)外醫(yī)學(xué).環(huán)路學(xué)分冊(cè)，2003，22(5):204 －207

3 林頤勝，對(duì)濕化器人工鼻的應(yīng)用探討［J］.中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2005，26(7):38 －39

4 黃桃.MR410加熱濕化器在呼吸機(jī)臨床治療中的使用價(jià)值［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31(02):83 －84